A bateria de níquel-cádmio é uma fonte de tensão DC. Por suas propriedades e vantagens, está assumindo chumbo ácido baseadas em baterias e ganhando popularidade nos últimos tempos. É pequeno, compacto, facilmente transportado de um lugar para outro. Os usos gerais desta bateria são brinquedos, calculadoras, pequenos Motores DC , etc. Em princípio, é o mesmo que baterias baseadas em acumulador de chumbo. Um metal é enrolado com cádmio e camadas separadoras e mantido em redox para que a reação química produza a tensão DC. As baterias são populares há muito tempo e, em um esforço para aumentar sua eficiência, cada vez mais elementos químicos são usados. Isso torna a construção compacta.
O que é uma bateria de níquel-cádmio?
É um dispositivo que produz voltagem DC com base na reação química entre as substâncias envolvidas. Em uma bateria de níquel-cádmio, o material redox é usado como base e, ao redor dele, a camada de níquel e um separador são usados. A voltagem da célula de níquel-cádmio é de cerca de 1,2 V. Quando conectadas em série, geralmente 3 a 4 células são compactadas para obter uma saída de 3,6 a 4,8 V
Projeto de bateria de níquel-cádmio
Teoria da bateria de níquel-cádmio
O princípio de operação de uma bateria de níquel-cádmio é o mesmo das outras baterias. Para melhorar a eficiência, são usados níquel e cádmio. Uma bateria é a fonte de tensão DC, portanto, deve consistir em dois pontos potenciais, ou seja, positivo e negativo ou também chamado de ânodo e cátodo. Em uma bateria de níquel-cádmio, primeiro, uma camada de óxido de níquel NiO2 é mantida ao redor do redox.
Esta camada de óxido de níquel atua como uma camada catódica. Acima da camada de óxido de níquel, é mantida uma camada de KaOH, que atua como um separador. Deve-se observar que esta camada separadora deve ser embebida em água ou úmida. Seu objetivo é fornecer íons negativos OH necessários para a reação química. Acima da camada separadora, o cádmio é colocado. A camada de cádmio atua como ânodo para a bateria de níquel-cádmio. O diagrama de bateria de níquel-cádmio é mostrado abaixo.
Diagrama de bateria de níquel-cádmio
Conforme mostrado, no diagrama, o níquel atua como um eletrodo positivo colecionador e a camada de cádmio atua como um coletor de camada negativa. A camada separadora entre as duas camadas é composta de KOH ou NaOH. Seu objetivo é fornecer íons OH. Além desses, ele também consiste em uma válvula de segurança, placa de vedação, anel de isolamento, junta de isolamento e uma caixa externa.
O objetivo do anel isolador é fornecer isolamento entre as duas camadas. A junta isolante é o local onde o anel isolante é mantido próximo. A camada separadora é conectada a este anel. O invólucro externo serve para proteger as camadas internas de fatores externos, como danos e manuseio incorreto da bateria. Deve-se notar que, devido às reações químicas que ocorrem na bateria, é sempre perigoso trabalhar com a bateria.
A caixa da bateria nunca é aberta, pois todas as camadas ficam expostas e podem causar danos ao usuário. Da mesma forma, quando não estiver em uso, é recomendável remover a bateria do dispositivo.
Equações de bateria de níquel cádmio
As equações químicas que representam a reação química podem ser dadas como
A primeira equação representa a reação entre a camada catódica de níquel e o separador. Ele fornece uma saída de íons OH de óxido de níquel. A necessidade da camada separadora, conforme mencionado antes, é fornecer os íons OH necessários para a reação química. Para o fornecimento de H2O, a camada separadora é embebida em água para a reação inicial. Posteriormente, H2O é obtido como um dos subprodutos.
Do lado do ânodo, a camada de cádmio também é combinada com íons OH que são obtidos a partir da camada separadora. Isso resulta em óxido de cádmio e elétrons. Pode-se notar que os elétrons em ambas as equações são cancelados. Além disso, os íons OH são cancelados. A equação do lembrete é dada pela terceira equação, onde o níquel é combinado com cádmio e água. Isso resulta em óxido de níquel e óxido de cádmio.
Faixa de temperatura da bateria de níquel-cádmio
A faixa de temperatura para bateria de níquel é de 0 a 45 graus centígrados durante o carregamento e -20 a 65 graus centígrados durante a descarga. Além dessa faixa de temperatura, a bateria deixa de funcionar e até existem chances de explosão.
Toxicidade da bateria de níquel-cádmio
A bateria de níquel-cádmio é muito tóxica para o corpo humano. O cádmio é um metal pesado que apresenta diversos riscos ao corpo humano. O cádmio tem até um efeito fisiológico no sistema. A presença média de cádmio no corpo humano é de aproximadamente 1 micrograma por litro. Tem um efeito direto no sistema digestivo. Da mesma forma, o níquel também é venenoso para o sistema respiratório humano.
Tensão da bateria de níquel-cádmio
Em geral, cada voltagem para uma bateria de níquel-cádmio seria de aproximadamente 1,2 V. Número de células conectadas em série ou em paralelo para obter a voltagem necessária. Além da tensão, sua energia específica é em torno de 50-60 Wh por Kg. Isso é moderadamente alto que o níquel-ferro, mas relativamente menos do que as baterias de níquel-zinco e níquel-hidreto metálico.
A potência específica é de 200 W por kg. Isso é moderadamente alto do que o níquel-ferro, mas relativamente menor do que as baterias de níquel-zinco e níquel-hidreto metálico. Para baterias de níquel-metal, é cerca de 170-1000. Para baterias de níquel-ferro, é cerca de 100. A eficiência energética é de cerca de 70-75%. Isso é moderadamente alto do que o níquel-ferro, mas relativamente menor do que as baterias de níquel-zinco e níquel-hidreto metálico. Para baterias de níquel-metal, é cerca de 70-80%. Para baterias de níquel-ferro, é cerca de 60-70%.
Construção da bateria de níquel-cádmio
De construção, a bateria de níquel-cádmio é igual às baterias de chumbo-ácido. Ele consiste em três camadas fundamentais. A primeira é uma camada de níquel, depois a camada separadora e a camada de cádmio. O níquel atua como um coletor de eletrodo positivo e a camada de cádmio atua como um coletor de camada negativa.
A camada separadora entre as duas camadas é composta de KOH ou NaOH. Seu objetivo é fornecer íons OH. Além desses, ele também consiste em uma válvula de segurança, placa de vedação, anel de isolamento, junta de isolamento e uma caixa externa. O objetivo do anel isolador é fornecer isolamento entre as duas camadas. A junta isolante é o local onde o anel isolante é mantido próximo. A camada separadora é conectada a este anel.
O invólucro externo serve para proteger as camadas internas de fatores externos, como danos e manuseio incorreto da bateria. Deve-se notar que, devido às reações químicas que ocorrem na bateria, é sempre perigoso trabalhar com a bateria. As camadas junto com a camada separadora formam a reação química necessária e formam a diferença de potencial.
Bateria de níquel cádmio funcionando
O funcionamento da bateria de níquel-cádmio é baseado na reação química que ocorre entre as camadas. A bateria que é uma fonte de tensão DC consiste em duas portas, isto é, ânodo e cátodo. Ao fazer a bateria, primeiro a camada de cádmio é mantida no redox. A camada de cádmio atua como terminal catódico. O cádmio é um dos materiais pesados e tem boas propriedades de condução. Acima da camada de cádmio, as camadas separadoras são mantidas.
O objetivo da camada separadora é fornecer íons OH necessários para o reação química . Os íons OH são necessários para a reação entre a camada catódica de níquel e o separador. Ele fornece uma saída de íons OH de óxido de níquel. A necessidade da camada separadora, conforme mencionado antes, é fornecer os íons OH necessários para a reação química. Para o fornecimento de H2O, a camada separadora é embebida em água para a reação inicial.
Posteriormente, H2O é obtido como um dos subprodutos. Do lado do ânodo, a camada de cádmio também é combinada com íons OH que são obtidos a partir da camada separadora. Isso resulta em óxido de cádmio e elétrons. Pode-se notar que os elétrons em ambas as equações são cancelados. Além disso, os íons OH são cancelados. A equação do lembrete é dada pela terceira equação, onde o níquel é combinado com cádmio e água. Isso resulta em óxido de níquel e óxido de cádmio. A reação química é seguida pelo fluxo de elétrons que causa a diferença de potencial entre dois terminais.
Tipos de bateria de níquel cádmio
A classificação da bateria de níquel-cádmio é feita apenas com base no tamanho e na tensão disponível. Com base no tamanho, pode ser de tamanho AAA, AA, A, Cs, C, D ou F. Todos esses tamanhos vêm com especificações de tensão de saída diferentes. Alguns deles são em forma de tubo cilíndrico e alguns deles estão em uma caixa externa retangular em forma de caixa.
Vantagens e desvantagens
As vantagens da bateria de níquel-cádmio são
- Oferece saída de alta corrente
- Tolera sobrecarga
- Suporta até 500 ciclos de carregamento
As desvantagens da bateria de níquel-cádmio são
- O cádmio não é um material ecológico
- Menor tolerância à temperatura em comparação com outras baterias.
Aplicações de bateria de níquel cádmio
Possui várias aplicações como brinquedos, pequenos motores DC, calculadoras, ventiladores, computadores, etc.
Portanto, vimos as aplicações, o funcionamento e os detalhes do bateria de níquel-cádmio . É preciso ver quais são os outros materiais que podem ser combinados com o níquel, uma vez que o cádmio tem efeitos perigosos.